PROPIEDADES ÍNDICES DE LOS SUELOS

Transcripción

1 PROPIEDADES ÍNDICES DE LOS SUELOS Ing. Carlos García Romero Qué son? Para qué sirven? Cuando, estando en Zacatenco, nos preguntan la ubicación de algún sitio, por ejemplo hacia dónde queda La Villa?, por lo general señalamos con el dedo índice hacia el Este y decimos hacia allá. De igual manera las propiedades o características índices de los suelos nos deben servir para conocer, cualitativamente, el comportamiento mecánico de los suelos. Las propiedades índices son: Contenido natural de agua, ω Peso volumétrico natural, γ Grado de saturación, Gw Densidad de los sólidos, Ss Granulometría Plasticidad o Límites de Atterberg, LL, LP, Ip, LC Relación de vacíos u oquedad, e Porosidad, n Contracción lineal, CL En años recientes los símbolos han sufrido algunos cambios, propuestos principalmente por la American Society for Testing Materials, ASTM. Así, a la Ss se le llama gravedad específica de los sólidos, Gs aunque también se le conoce como peso específico relativo de los sólidos. Los límites líquido y plástico, LL y LP, ahora también se les conoce como ω L y ω P, respectivamente. Y al contenido natural de agua ω i. Asimismo, al grado de saturación Gw, se le conoce como S. Recordando que: CONTENIDO DE AGUA, ω El contenido de agua es la relación entre las masas del agua, Mw, que contiene el suelo y la del suelo seco, Ms, entonces: ω %= (Mw / Ms) 100 Así, su magnitud puede variar desde 0%, cuando el suelo está seco. Su máxima magnitud no se ha definido aún. Sin embargo, se conocen suelos cuyos contenidos de agua o de humedad alcanzan el 800% y 1,500%, es decir, por cada tonelada de agua se tienen 8 o 15 toneladas de sólidos, casi agua. PESO VOLUMÉTRICO NATURAL, γ Como su nombre lo indica es la relación entre el peso de suelo, W T, y el volumen que el mismo ocupa, V T, así: γ = W T / V T Su magnitud, por lo general, varía de 11 kn/m 3 a 23 kn/m 3. Siendo 11 kn/m 3 para arcillas saturadas, de origen lacustre y, 23 kn/m 3 para suelos friccionantes, arenas y gravas, muy compactas.

2 DENSIDAD DE LOS SÓLIDOS, Ss, O GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS, Gs En esta propiedad se relacionan el peso volumétrico de los sólidos con el peso volumétrico del agua a 4 C de temperatura y a una atmósfera de presión, su expresión es: γ s = Ws / Vs γ 0 = Ww / Vw = 10* kn/m 3 Gs = γ s / γ 0 *magnitud aproximada de 9.81 kn/m 3 a 10 kn/m 3 Los valores Gs varían de 2.65 a 3.00 para arenas y suelos con hierro. En algunos suelos orgánicos su densidad puede ser menor de 2.0. PLASTICIDAD, LÍMITES DE ATTERBERG O DE CONSISTENCIA, LL, LP, Ip, LC Atterberg define cinco estados de consistencia que pueden presentar los suelos finos. Supóngase una arcilla a la cual se le incrementa su contenido de agua, desde cero, es decir seca, hasta saturada, para éstas condiciones su consistencia decrecerá desde muy dura hasta muy blanda. Con el siguiente croquis se explica la variación de la consistencia con el contenido de agua. CONTENIDO DE AGUA LL LP LC Ip SÓLIDO SEMI- SÓLIDO PLÁSTICO SEMI- LÍQUIDO LÍQUIDO ESTADOS DE CONSISTENCIA Estado Sólido. Se define como el estado sólido aquel en el cual el suelo se comporta como un sólido. Al disminuir su contenido de agua, la pérdida de volumen es de tal magnitud que se puede despreciar. Tiene la consistencia de una charamusca o trompada, son dulce de leche macizos. Estado Semi-sólido. En este estado el suelo se comporta como un sólido, pero al perder humedad disminuye su volumen de manera apreciable. Tiene la consistencia de un queso. Estado Plástico. Para esta condición el suelo se comporta plásticamente, es decir, al ser cargado se deforma inmediatamente y, al ser descargado queda deformado. No hay rebote elástico. El suelo tiene la consistencia de mantequilla blanda.

3 Finalmente para los estados semi-líquido y líquido, los contenidos de agua son es tales que el suelo exhibe la consistencia de una crema y de un licuado, respectivamente. El Índice Plástico, define el rango en el cual el suelo presenta un comportamiento plástico. Es importante hacer notar que los límites son contenidos de agua, al igual que el índice plástico. RELACIÓN DE VACÍOS U OQUEDAD, e Ésta queda definida como el cociente entre el volumen de vacíos, Vv, y el volumen de sólidos, Vs. e = V V / V S Sus magnitudes pueden variar de 0.20, para depósitos glaciares, como por ejemplo arenas limosas muy compactas, a 10 o mayores para depósitos lacustres de arcillas saturadas de consistencia muy blanda. No existen suelos con oquedades nulas, ya que cualquier suelo por compacto que se encuentre siempre tendrá vacíos. Para los suelos de origen lacustre como las arcillas vírgenes del Valle de México, saturadas, de consistencia muy blanda y muy compresible, con oquedades de 6 u 8, por cada metro cúbico de sólidos se tendrán 6 u 8 m 3 de agua. POROSIDAD, n La porosidad es la relación entre el volumen de vacíos, V V, y el volumen total, V T, se acostumbra expresarla en porcentaje. La n podrá tener magnitudes entre el 17% y 90% n% = (V V / V T ) 100 GRADO DE SATURACIÓN, S ó G w En esta propiedad se relacionan los volúmenes del agua que llenan total o parcialmente los vacíos del suelo, con este volumen. También se acostumbra expresarlo en porcentaje, esto es: G w % = S % = (V w / V V ) 100 Teóricamente su máxima magnitud es 100%, todos los vacíos del suelo están llenos de agua. De manera natural el agua que se encuentra en los suelos tiene aire disuelto. Asimismo, el mínimo valor no es cero ya que bajo cualquier condición el agua siempre contiene agua. CONTRACCIÓN LINEAL, CL Esta característica del suelo es una prueba ideada por los ingenieros de la entonces SOP y consiste en determinar la contracción que sufre el suelo saturado se seca, en un molde rectangular de 1 cm 2 de sección transversal por 10 cm de longitud. La expresión que define la contracción lineal es: CL % = (Longitud final del suelo seco / longitud inicial del suelo saturado) 100

4 Para las arcillas lacustres muy plásticas y compresibles, la CL es mayor del 25% y, para arenas con limos no plásticos la contracción lineal es menor de 5%. Para las arcillas se puede determinar, experimentalmente, una relación entre el Ip y la CL. Así para las arcillas del Valle de México esta relación varía de 3 a 5, esto es: Ip = de 3 a 5 veces la CL GRANULOMETRÍA Esta propiedad además ser empleada para la clasificación de los suelos, el diseño de mezclas de concreto tanto hidráulico como asfáltico, también es útil para verificar la consistencia de los resultados de otras pruebas o ensayes. APLICACIONES 1.- Se tiene una arcilla clasificada como CH, de alta plasticidad, en el cual su ω natural es menor que su límite plástico, ω P, Qué problemas se pueden presentar en una cimentación y en un corte? R.- Si el contenido de agua es menor que el límite plástico, entonces se encuentra en estado semi-sólido o bien sólido. Para la cimentación su capacidad de carga será alta con pequeños asentamientos. El corte probablemente se pueda excavar verticalmente sin ningún soporte o ademe. 2.- Para el mismo tipo de suelo, ahora el contenido de agua es mayor al límite líquido, ω > ω L. R.- Ahora la arcilla está saturada, por ser CH es altamente compresible y de muy baja resistencia al cortante. En la cimentación, lo más probable es que no falle por cortante, pero sí es seguro que se presenten importantes asentamientos diferidos y diferenciales, cuya magnitud llegue a ser tal que ponga en riesgo la estabilidad de la superestructura. En el corte, prácticamente es imposible efectuar la excavación sin ademes o tablaestacas. En estos suelos se deberá revisar la posibilidad de la falla de fondo. Por estar el suelo saturado, se espera un nivel de aguas freáticas superficial, en consecuencia habrá que considerar el abatimiento del NAF con un sistema de bombeo. 3.- Qué problemas se pueden presentar en una cimentación sí se tienen dos suelos, A y B, con las siguientes características: SUELO OQUEDAD PESO CONTENIDO LÍMITE LÍMITE VOLUMÉTRICO DE AGUA LÍQUIDO PLÁSTICO letra -- kn/m 3 % % % A B R.- En el suelo A por cada metro cúbico de vacíos se tienen 2.5 m 3 de sólidos y, su peso volumétrico es 1.8 veces mayor al del agua. El contenido de agua o de humedad es menor al límite plástico, en consecuencia su estado de consistencia es de semi-sólido a sólido, tendrá la consistencia de un queso a un caramelo o trompada. Se infiere que no se presentarán importantes problemas de capacidad de carga ni de asentamientos. En caso de presentarse falla por cortante, esta será de tipo frágil, es decir será una falla general.

5 Para el suelo B como el contenido de agua es semejante al límite líquido, este suelo está prácticamente saturado. Por su oquedad, por cada metro cúbico de sólidos se tienen 5.5 m 3 de agua, su peso volumétrico se aproxima al del agua. Su estado de consistencia es de semilíquido a líquido, su consistencia es semejante al de una crema o a un licuado. En este caso se esperan asentamientos por consolidación primaria o diferidos muy importantes, que puede afectar a las construcciones e instalaciones subterráneas vecinas. Asimismo, baja capacidad de carga. Las excavaciones tendrán que ser ademadas. Es importante señalar que el suelo alcanzará la consistencia de crema o incluso de licuado cuando su estructura natural se rompa, por ejemplo por remoldeo, como sucede en la determinación del límite líquido cuando el suelo es colocado en la copa de Casagrande para ser golpeado. En caso de presentarse la falla por cortante, esta será de tipo plástico, primero se tendrán importantes deformaciones antes de fallar. La falla se clasifica como local, es obvio que su capacidad de carga es menor comparada con suelos con falla general. 4.- En el caso de mejoramiento de suelos por medio de la compactación, el Dr. Karl von Terzaghi a través del Departamento de Caminos del estado de Ohi, EEUU, recomienda que los suelos para terraplenes deberán cumplir con las siguientes características. TERRAPLENES DE HASTA 3.0 m DE ALTURA TERRAPLENES DE MÁS DE 3.0 m DE ALTURA DENSIDAD SECA MÁXIMA GRADO DE COMPACTACIÓN DENSIDAD SECA MÁXIMA GRADO DE COMPACTACIÓN kg/m 3 % kg/m 3 % < 1,439 SUELO INADECUANDO, SUELO INADECUANDO, < 1519 NO DEBE EMPLEARSE NO DEBE EMPLEARSE 1,500 a 1, ,520 a 1, ,650 a 1, ,650 a 1, ,760 a 1, ,760 a 1, ,920 o mayor 90 1,920 o mayor 95 En lo general, un suelo con alto peso volumétrico se compacta con mayor facilidad y menor agua que otro de menor peso volumétrico. Los suelos con pesos volumétricos secos máximos menores a los 14 kn/m 3, consumen más agua para ser compactados, su porcentaje de finos es mayor del 25%, si éstos finos son plásticos, los problemas durante el proceso de compactación se incrementan considerablemente. Para que un relleno no presente problemas durante su construcción ni durante su operación se recomienda que la densidad seca máxima, ρ dmáx, sea mayor a los 1,600 kg/m 3 y, que sea clasificado como SM o SC, con finos de baja plasticidad. 5.- Explicar las diferencias entre suelos saturados y suelos sumergidos. Qué problemas se pueden presentar en una arena fina, sumergida, sujeta a cargas dinámicas? Cuál será el comportamiento de una arcilla de alta plasticidad saturada, cuando es sujeta a cargas de larga duración? Unidad Profesional de Zacatenco, 17 de Mayo del 2013